Измерение солнечного света из космоса на чипе
Новая технология, разработанная Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) в сотрудничестве с Лабораторией физики атмосферы и космоса (LASP), позволила построить и запустить более легкое и дешевое устройство, которое является таким же точным, как сопоставимый прибор, используемый в настоящее время для измерений TSI. CTIM на основе чипа NIST должен обеспечить исследователям высокую точность (с погрешностью всего 0,015%) и стабильность (с дрейфом — сдвигом измеренных значений во времени — менее 0,001% в год).
Детектор CTIM под другим углом. Металлическая полка, прикрепленная к нижней передней панели, не является частью устройства. Авторы и права: Тим Хелликсон, LASP
В течение 40 лет люди использовали космические датчики для измерения количества света, исходящего от Солнца, что дает ученым представление об изменении климата на Земле.
Большая часть энергии, питающей климатическую систему Земли, поступает от солнечного света. Итак, если ученые измерят энергию, попадающую на Землю от Солнца, а также измерят энергию, покидающую Землю, то они смогут определить, сколько энергии осталось позади.
Ученые измеряют количество солнечного света, достигающего Земли из космоса. Величина, которую они измеряют, называемая «полной солнечной радиацией» (TSI), включает в себя всю энергию всех различных длин волн света, исходящего от солнца, от ультрафиолетового до видимого и инфракрасного.
Однако устройства, используемые в настоящее время для мониторинга TSI, сравнительно дороги в производстве и запуске. Это ставит под угрозу способность ученых проводить непрерывные, непрерывные измерения, необходимые им для точной оценки изменений TSI с течением времени.
Теперь новая технология, разработанная Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) в сотрудничестве с Лабораторией физики атмосферы и космоса (LASP), позволила построить и запустить более легкое и дешевое устройство, которое является таким же точным, как сопоставимый прибор, используемый в настоящее время для измерений TSI. Этот прибор, получивший название Compact Total Irradiance Monitor (CTIM), представляет собой тип измерителя радиации, интегрированный в чип и запущенный в космос на стандартном миниатюрном спутнике под названием CubeSat.
CTIM на основе чипа NIST должен обеспечить исследователям высокую точность (с погрешностью всего 0,015%) и стабильность (с дрейфом — сдвигом измеренных значений во времени — менее 0,001% в год).
Все устройство CTIM, содержащее радиометр в масштабе NIST и другое оборудование, имеет размер обувной коробки. Восемь отверстий (по четыре с каждой стороны) — это отверстия для восьми радиометров на борту спутника. Авторы и права: Тим Хелликсон, LASP
Это сопоставимо с монитором освещенности, который в настоящее время используется для измерения солнечного света. Тем не менее, новый датчик стоит десятую часть стоимости сборки, и это не считая экономии от запуска гораздо меньшего детектора в космос.
«Этот спутник был задуман, построен, испытан и запущен в течение нескольких лет, в то время как на создание предшественника ушло 20 лет», — сказал Джон Леман из NIST. «Мы считаем это большим техническим успехом. Нет коммерческих детекторов, которые могли бы это сделать».
Прототип детектора был запущен этим летом и будет собирать данные в течение двух лет.
«На данный момент первичные детекторы испытали более 100 часов прямого солнечного воздействия с тех пор, как CTIM CubeSat начал проводить измерения», — говорит Дэйв Харбер, старший научный сотрудник Университета Колорадо в Боулдере, LASP и главный исследователь CTIM. «Команда CTIM в настоящее время завершает анализ полученных данных, но первоначальный анализ показывает, что прибор в целом и детекторы, изготовленные NIST, в частности, демонстрируют отличные характеристики на орбите».
Новомодные нанотрубки
Как старые, так и новые измерения TSI выполняются с помощью болометров — детекторов, которые измеряют входящее оптическое излучение по выделяемому им теплу. Солнечный свет попадает на болометр, который поглощает оптическую энергию в диапазоне длин волн. Поглощенная энергия нагревает термометр.
Один из радиометров CTIM, разработанный и изготовленный NIST. Черный кружок в центре — это участок углеродных нанотрубок, которые поглощают энергию солнечного света. Предоставлено: Натан Томлин/NIST.
Но это тепло не измеряется напрямую. Вместо этого в этих устройствах обычно используется принцип электрического замещения. Встроенный нагреватель повышает температуру термометра на определенную произвольную величину. Затем открывается ставень, чтобы показать солнечный свет. Оптическое излучение солнца нагревает термометр, а механизм обратной связи заставляет нагреватель отключаться, чтобы поддерживать постоянную температуру. Степень уменьшения мощности нагревателя говорит вам, сколько оптической энергии солнца было поглощено для нагрева устройства.
Используемое в настоящее время устройство TSI, прикрепленное к Международной космической станции, называется датчиком общего и спектрального солнечного излучения (TSIS). Он относительно тяжелый и большой, размером почти с холодильник в общежитии, что делает его более дорогим для отправки в космос.
Напротив, новый прибор NIST-LASP TSI в целом имеет размер обувной коробки. Он собирает солнечную энергию с помощью крошечных устройств размером с монету в один доллар, каждое из которых изготовлено из сверхпоглощающего материала из вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (УНТ). Эти УНТ поглощают практически весь видимый свет, а также большую часть света в ультрафиолетовом (УФ) и инфракрасном (ИК) диапазонах.
«Он относительно черный даже в инфракрасном диапазоне», — сказал Леман. «Ничто другое не похоже на это. Мы можем сделать его достаточно толстым, чтобы поглощать эти длинные волны, и при этом он способен передавать это поглощенное излучение детектору».
Специальные УНТ на основе микросхем были разработаны несколько лет назад. Но создание полностью основанного на чипе болометра с термометром, нагревателем и другими частями заняло годы. Прототипы устройств были изготовлены вручную Натаном Томлином из NIST.
«Что мы действительно продвинулись, так это то, что мы делаем полные детекторы», — сказал Леман. «Все интегрировано в этот чип. Это многофункциональный детектор, на котором установлены действительно сложные нанотрубки.
Ученые разработали тонкий контроль над производством углеродных нанотрубок, которые могут создавать одни из самых черных материалов, созданных людьми. Здесь углеродные нанотрубки были изготовлены на поверхности, чтобы написать «50 мкм» (50 микрометров, миллионные доли метра). Линии на каждой цифре и букве здесь имеют толщину всего 50 микрометров. Предоставлено: Крис Янг/NIST.
Где никто не был раньше
Из восьми чиповых устройств CubeSat только два будут непрерывно измерять солнечный свет. Остальные шесть будут видеть солнце лишь периодически, что поможет исследователям определить, насколько деградируют датчики во время воздействия.
Простота добавления дополнительных датчиков к спутнику является основным преимуществом этой технологии по сравнению с предыдущими методами. Небольшие недорогие детекторы позволяют ученым использовать их массово, что может повысить точность измерений за счет избыточности.
И даже несмотря на то, что это эксперимент для проверки концепции, данные CTIM, тем не менее, могут быть достаточно хорошими для использования учеными. Именно это произошло с аналогичными детекторами, построенными NIST несколько лет назад для наблюдения за спектральной освещенностью солнца (то есть количеством энергии, излучаемой на каждой длине волны). Устройство под названием Compact Spectral Irradiance Monitor (CSIM) также было создано в сотрудничестве с LASP.
«CSIM также был проверкой концепции», — сказал Леман. «Но, как оказалось с CSIM, мы получили данные почти за два года. И этих данных было достаточно, чтобы позволить ученым переопределить стандарт. Поэтому мы надеемся, что этот эксперимент также внесет свой вклад в эту историю».
